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矿山数字化技术现状与发展方向1
陈建宏，古德生，周智勇
中南大学资源与安全工程学院，长沙（410083）
E-mail：cjh@263.net摘 要：本文对我国“九五”、“十五”期间我国矿山数字化和信息化研究成果和存在的问题进行了分析；对目前具有一定争议的“数字矿山”建设的目标、内容、思路和方案进行了讨论；对数字矿山和矿业ERP的概念进行了解释和界定；对矿山信息化发展的模式和阶段进行了分析；对我国矿业信息化项目建设的优先顺序进行了论述；对国内外矿山数据仓库技术的发展方向和应用前景进行分析。全文试图对我国矿山数字技术的现状与发展趋势作简要评述，期望对新世纪我国矿山数字化和信息化发展理出一个指导性思路和基本框架。 关键词：矿山数字技术，数字矿山，矿山信息化，建设目标，发展趋势
1 前 言
矿产资源的开发对人类赖以生存的环境造成了极大的污染和破坏。因此，如何在有限的资源条件下，在生态系统包容能力允许的条件下，探讨矿产资源开发与环境保护，实现经济的可持续发展是21世纪人类面临的重大课题。如果继续沿袭旧的外延扩张式经济发展模式，而不是转向寻求一种变革性力量，将难以解决矿产资源开发中的诸多矛盾。强化信息资源开发利用，加强矿山数字技术运用是这种巨大变革性力量的主力军。
信息化建设已成为我国的一项重要的战略国策，国家“十五规划”中明确指出：“信息化是当今世界经济和社会发展的大趋势，也是我国产业升级和实现工业化、现代化的关键环节。要把推进国民经济和社会信息化放在优先位置。”并提出“坚持以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走出一条科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染小、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”的战略方针。因此，充分利用现代信息技术，实现矿业的可持续发展，达到资源开发与环境保护和谐统一，是“十一五”矿业发展规划要解决的重要任务之一。
矿山企业作为资源开发的主体，其信息化是矿业信息化的重要组成部分之一。矿山信息化即是挖掘先进的管理理念，应用先进的信息技术去整合矿山现有的生产、经营、设计、管理，及时地为矿业“三层决策”（战术层、战略层、决策层）系统提供准确而有效的数据信息，以便对市场需求做出迅速反应，进而提升矿业经济核心竞争力的过程。矿山信息化不仅是矿山信息技术的延伸，更重要的是矿业管理、组织结构、业务流程的变革和延伸[1-7]。
近年来，随着我国矿业经济的繁荣以及信息技术的发展，我国矿山企业对信息化软件产品的需求大量增加。上世纪90年代，由于我国矿业经济不景气，矿山企业、高等学校及研究院所在相当长的时间内，对矿业软件产品的研发速度缓慢，除了经济因素外，其中主要原因是矿山行业难以留住高水平的软件开发和管理人员。面对新世纪迅速繁荣的矿业经济和快速发展的采矿工业，目前我国矿山信息化发展存在二大矛盾：一是矿山信息化产品需求空前增加与国内矿山软件产品研发能力相对滞后的供需矛盾；其次是矿山企业领导对“数字矿山”的高期望值与矿山IT人才流失严重，IT技术力量的严重不足，操作维护培训跟不上，难以保证系统良好实施和运行的矛盾[1-3]。
与此同时，面对中国巨大的矿业软件市场，国外矿业软件商的将主要力量转向中国，在 本课题得到全国优秀博士论文专项基金（(200449）的资助。
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经济利益的驱动下，国内相继出现大量的国外矿业软件代理商（如Surpac、Micromine、Datamine、MineSight等），他们利用自己在国内的客户关系与国外软件厂家密切合作，使得目前国内矿业软件市场正在迅速被外商占领，这种发展趋势必须引起我国政府和矿山企业决策层的高度重视。本文试图对我国矿山数字技术的现状与发展趋势作简要论述，期望对我国新世纪矿山数字化和信息化发展思路理出一个指导性的基本框架。
2 矿山数字技术现状
2.1 中国矿山信息化概况
“九五”、“十五”期间，我国矿山企业在应用推广信息技术中进行了较大投入，打下了一定的基础，取得了明显的效益，也促进了矿山安全生产。煤炭行业比非煤矿山投入的力度大，煤炭行业广泛应用先进适用的信息技术，有效提升全行业的生产效率和管理水平，成为我国煤炭行业实现跨越式发展的历史性契机，非煤矿山近几年也在迎头超赶，像中铝、宝钢、首钢等大型企业集团信息化水平已经相当高。总体上，我国矿山信息化有以下特点：
(1) 以信息流为主要特征的煤矿机电一体化产品已在煤炭生产作业中得到普遍应用。以
计算机为核心的电牵引采煤机、全数字直流提升机成为国内市场主导产品。 (2) 煤矿安全生产监控系统得到迅速推广。目前国产的煤矿安全监测系统已在400多个
煤矿得到使用，基本上占领了国内市场。
(3) 煤炭企业信息系统的开发建设从单项应用走向系统集成，成为煤炭信息化建设新趋
势。据统计，“九五”末国有重点煤炭企业用于生产经营管理的计算机约有5.4万多台，普遍应用在财务、销售、计划、统计、劳资、物资、固定资产等重要管理环节。 据原国家经贸委《全国企业信息化建设现状和十五规划情况调查报告》调查显示，煤炭行业60%的企业信息化装备水平较高，硬件投入大，但全面实现信息化管理的企业寥寥无几。矿山行业的信息化，明显存在重投入、轻管理，重局部、轻整体，重硬件、轻软件的问题，重项目建设，轻IT人才培养。主要有以下几点：
(1) 矿山行业信息化的整体水平不高；
(2) 矿山行业信息化发展不均衡，主要表现在企业管理信息化相对进展迟缓,企业之间
的信息化差距很大；
(3) “信息孤岛”问题严重制约着矿山行业信息化整体效益的实现；
(4) 行业专用软件研发相对滞后，研发力量薄弱，从现有市场情况分析，适合矿山行业
特点和需求的专用软件比较缺乏，难以充分满足矿山生产发展和技术升级的需要。
2.2 矿山数字技术的新进展
二十世纪80年代，一些矿山企业与科研院所、大专院校开始合作探索计算机技术在矿山设计和生产中的应用，并开发了一些应用系统软件，如：矿山资源储量计算软件、矿井通风系统软件等等，为推动我国矿山信息化建设起到了积极的作用。九十年代后，随着国家信息化的快速发展和市场环境的变化，矿山信息化进入快速发展阶段，围绕着如何提高矿山生产效率和管理效率、降低开采成本、提高矿山开采的技术水平和生产能力等开展了大量的研究，并取得了丰硕的成果，主要成果概述如下[4-8]：
1、矿床可视化建模和储量计算得到推广
随着数字地球、数字中国等概念的不断涌现，“数字矿山”的概念也逐步得到推广和实施。通过矿山地质数据的获取、输入与管理，建立矿床地质模型，实现矿山地质图件编制及地质
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统计学品位与储量计算。国际著名的数字建模软件如：澳大利亚的SURPAC、MICROMINE、美国的MINESINGHT和英国的DATAMINE等在我国许多矿山得到广泛运用。
2、计算机辅助矿山规划与设计大幅度的提高
在矿床三维模型的基础上，进行地质储量计算，运用计算机辅助矿山规划与设计软件，优化开采境界，编制矿山的长、短期计划，动态、快速地调整生产计划，从而实现矿山的最大净现值班、最大资源利用率，并提高工作效率，降低生产成本。如:江西铜业公司在全国矿山率先采用了国际上普遍应用的矿山规划与设计软件—MinSight软件，能够根据矿业市场行情快速优选出最具有市场竞争力的采掘方案，以降低剥离费用和减少采矿设备及维修设施的投入。安徽铜都铜业股份公司的狮子山铜矿作为其深部冬瓜山铜矿床开采的配套技术引进了英国全套DATAMINE矿业管理软件，采用线性规划技术实现矿山长、中、短采掘计划编制，能实现现在适当的时间、适当的地点开采出的矿石数量和质量，使矿山企业投资效益最佳。
3、矿山生产调度和生产控制广泛采用微电子与计算机技术
矿山积极采用新工艺、新技术、新方法开展创新改造工作，使企业的生产过程自动化、设备智能化的水平有了较大的提高；特别是大型企业的整体素质提高较快、效益明显。如德兴铜矿于1998年开始采用美国模块公司的DISNTCH系统，系统由调度中心、通信网络、车载系统等部分组成，可对车辆的运行状态、安全状态、技术状态进行自动化统计、分析、调度，极大地提高了露天矿的生产效率和安全性。据统计，设备使用率提高了7%以上，年采矿成本减低1500万元。德兴铜矿大山选厂引进选矿自动控制系统，该系统以Windows NT为平台，采用现场总线系统，并可通过Internet实现生产过程监控。金川有色金属公司的龙首矿井下皮带运输系统按照ABB公司的MP200分布式控制系统，充填工区分别安装了HONEYWELL公司的MICO—TDC3000和SCAN3000分布式控制系统，选厂二期工程安装了OMRON公司的C—20可编程逻辑控制器，磨浮系统安装了AB公司的S100可编程逻辑控制器，基本上实现了生产过程的自动控制。
4、矿山MIS/ERP软件及网络硬件环境得到改善和提高
大中型矿业企业已建立起不同层次的管理信息系统，随着企业体制与机制的改革，由传统的MIS系统向现代企业的集成MIS系统转型。计算机网络由共享式基带网络建设向交换式综合信息应用的高速网发展，有局域网向INTERNET转型。像江西铜业公司、中铝已投巨资建立了ATM网和ERP系统，达到了国内外先进水平。云南铜业公司信息系统建设的一期工程，建立了NOVELL网应用了ORACLE数据库，并先后开发了一些应用系统，如：生产管理系统、计划管理系统、财务管理系统等 ，这些系统的应用极大到提高了生产效率，规范了企业管理。铜陵公司的“三网合一”综合信息网建成及运行给企业带来显著效益，代表了目前网络建设方向。
5、电子信息技术应用与信息资源的开发成绩显著
有色大型矿山企业在信息化建设中，电子信息技术应用与信息资源的开发，已从单项开发应用向集成化、综合化发展，向管/控一体化、CIMS、ERP方向推进，向电子商务初级阶段迈进。像金川公司、中金岭南集团、中铝广西分公司等都是应用好的先进单位。
2.3 矿山信息化的新问题
我国有色矿山信息化建设取得巨大成就。应该看到，同我国信息化建设的整体趋势和先进矿业国家相比，我国矿山信息化总体水平还很低，还存在不少问题，具体表现在：
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1、“信息孤岛”日显突出
随着矿山企业计算机技术应用的不断深入，不同类型的业务系统和大量的业务数据分散在企业内不同部门、不同系统，由于缺乏数据交换机制，数据需要重复多次输入，是数据一致性无法保证，信息及时反馈难、共享差，产生所谓的“信息孤岛”，造成信息资源和设备资源的极大浪费。
2、信息系统建设出现“断层”现象
目前矿山企业的信息化投入和应用的分布很不均衡企业的中间层，如设计部门和财务部门等已经初步实现了计算机管理；但企业决策部门的信息化建设依旧很薄弱，基本停留在“形象工程”上，相关的报表满天飞。目前矿山信息化建设处于“战术层”的居多，而企业的“决策层”和“决策层”是相当薄弱。
3、矿山数据丰富但知识贫乏
随着数据库技术的迅速发展以及数据库管理系统在矿山广泛应用，矿山积累的数据越来越多。激增的数据背后隐藏着许多重要的矿山生产经营信息，人们希望能够对其进行更高层次的分析，以便更好的利用这些数据。但目前的信息系统可以高效的实现数据的录入、查询、统计等功能。却由于缺乏有效的数据分析和挖掘工具，无法发现数据中存在的关系和规则，无法根据现有的数据预测矿山的发展趋势，从而导致“数据爆炸但知识贫乏”的现象。
4、矿山信息的标准化工作滞后
大部分大中型矿山企业已经建立了企业内部网（Intranet）和Internet网站，但是绝大多数企业起到的作用仅仅是停留在媒体的简单扩充上，没有充分利用网络进行网络深层的信息资源挖掘，缺乏共享的、网络化的信息资源，企业的产品编码、管理编码和统计指标等技术标准、规范不一，不能使企业内部、企业与客户、供应商、业务伙伴的信息流畅通。谈不上电子商务的运用。
5、缺乏合适矿山特点的应用软件平台
矿山企业由于所处的行业及历史背景与一般的制造企业不同，矿产资源开发是一个复杂的巨系统，矿山管理信息系统的开发需要“量身定制”，以工具化、构件式设计出来实现矿山的不同需求，同时考虑信息系统的集成性和开放性。但由于缺乏既成熟矿山业务有精通信息系统开发的复合型人才，同时我国自主进行矿山应用软件开发的力度不足，导致适合矿山业务特点的应用软件溃乏，严重阻碍了矿山信息化的发展。
产生这些问题的原因是多方面的，主要可归纳以下几方面： 1、企业信息资源规划存在误区
长期以来，不少矿山企业在进行MIS（Management Information System）开发时，对企业信息资源规划存在误解。例如20世纪80年代中后期，一些矿山把“总体规划”搞成计算机选型规划；90年代初中期，把“总体规划”搞成局域网配置与设备选型规划；90年代后期至今，企业网配置方案的论证，成为“总体规划”的主要内容。矿山很少将总体数据规划列为总体规划的主体，没有考虑对企业多少年来所分散开发的结构不合理、数据繁杂混乱的“数据库”进行规范化，取消或减少数据接口，实现高档次数据环境的信息集成。
2、对MIS的认识误区
企业信息化建设中有句老话：“三分技术，七分管理，十二分数据”，信息系统的实施是建立在完善的基础数据之上的，而信息系统的成功运行则是基于对基础数据科学管理。“三分技术”中的数据组织技术尤为重要，“七分管理”中的人员组织管理、管理制度是关键，“十二分数据”是指数据的准确、及时和完善，基础代码、统计指标的统计、规范是保证，必须
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以数据中心进行MIS的设计与开发。但许多企业在信息系统开发中，轻视数据组织技术，忽视组织的制度管理，从而导致不少MIS开发和运行失败。
3、对信息系统集成存在误区
信息系统集成，是就将那些孤立运行的计算机系统变为集成化的信息系统的过程，不仅包括计算机和网络环境的集成，还包括更重要的数据环境和人文环境的集成。就是信息技术方面而言，建设企业集成信息系统的基础与核心任务是数据集成，或者说是标准化、规范化的信息资源管理，只有在这个基础上才能建立和运行集成化的信息系统。但是许多企业认为，分散开发的应用系统可以通过建立数据接口实现系统集成。这些接口的数目和复杂性，随着新的应用系统增加按几何数增加。最终，增加新应用系统的花费和现有系统的集成，靠增加接口的方法，变得可望而不可及。
4、信息技术人才严重缺乏
近10年来，各行各业都在吸引信息化人才，不失时机地建立其行业、部门、企业的信息化队伍。实践证明：IT（Information Technology）人才是产业信息化的重要保证。但在矿业领域，信息人才溃乏，特别是既熟悉矿山实际情况又精通企业信息系统建设的复合型人才更是非常缺乏。
有的矿山领导人错误地认为：MIS只是一种技术系统，没有看到人在系统中的作用，不重视开发队伍、业务人员培训。有些领导甚至认为，信息系统开发一切都可以交给开发商完成，企业自己就不需要IT人员。这种想法是非常错误的因为在开发期间开发商需要企业IT人员配合，并且即使系统正常运行后，也需要企业的IT人员对系统进行管理和维护。
3 矿山信息化发展阶段和模式[4]
美国著名的信息系统专家查德·诺兰（Richard Nolan）在20世纪80年代初根据对企业具有10-20年的计算机应用历程的总结，提出了企业计算机应用发展的六阶段（起步、扩展、控制、集成、数据管理、成熟）模型，是信息系统的发展规律早期研究的重要成果。诺兰指出企业计算机应用发展的历史是一个波浪式发展的过程，前三阶段具有计算机特征，后三阶段具有信息时代的特性；其转折点是信息的集成管理，如图1所示。但诺兰模型把系统集成和数据管理分为前后两个阶段，似乎可以先搞集成后搞数据管理，后来的实践表明这是行不通的。
20世纪90年代以来，米歇（Mische）根据信息技术的集约化管理的发展趋势，对诺兰模型进行了修正，指出信息系统集成与数据管理密不可分，集成阶段的重要特征就是搞好数据组织，或者说信息系统的实质是数据集成，并提出了综合信息技术应用的连续发展模型，如图2所示。综合信息技术应用的连续发展可分为四个阶段，各阶段的特征不只在数据处理工作方面，还要设计知识、哲理、信息技术的综合运用水平及其在企业的经营管理中的作用，以及信息技术服务机构提供成本效益和准时性好的解决方案的能力。
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矿山数字化技术现状与发展方向
